《光存储成行业升级重要方向》

  • 来源专题:能源情报网信息监测服务平台
  • 编译者: guokm
  • 发布时间:2022-01-10
  • 近日,国际调研机构Gartner公布2021年第三季度全球存储市场报告显示,三季度全球存储市场销售额349亿元,同比增长2.9%。产品层面,传统存储市场萎缩,全闪存储、分布式存储等新存储市场增长强劲。随着全球数字经济加速发展,大数据、人工智能、区块链等新技术与实体经济加速融合,新形态存储产品将迎来高速发展。

    数字经济已成为新时代建设现代化经济体系的重要动力。中国科学院科技战略咨询研究院发布报告称,随着社会经济各领域数字化建设的推进,数据存储需求呈现指数级增长,数据中心、5G等新型基础设施为数字经济发展提供基础保障的同时,也产生了高能耗、高成本问题。构建以电存储、磁存储和光存储为重要支柱的数据存储体系,对保障我国数字经济安全高效发展具有重要意义。

    从存储产业整体来看,围绕存储介质主要分三类:磁存储、电存储和光存储。在海量的大数据中,大部分数据属于冷数据,即在3个月之后访问频次极低。采用常规的、硬盘存储和半导体存储的方式存储此类数据,大幅度增加了数据中心的能耗水平。由于机械硬盘的寿命通常为5年,数据的长期存储还会因不断更新存储介质而大幅度提高成本和安全风险。

    “目前主流的电存储、磁存储面临严重的高能耗与高成本发展瓶颈。光存储虽然读写速度相对较慢,但具有低成本、高安全性、绿色节能、存储寿命长等特点,可成为缓解温冷数据存储压力的重要方式。”中国科学院科技战略咨询研究院科技发展战略研究所副所长王晓明认为,利用光存储技术存储大规模温冷数据,并利用磁存储和电存储技术存储高频访问数据,构成高效率的数据存储体系,能够保证数据的完整性及规模性,实现数据的分类保存和高效读写,充分发挥不同类型数据的短期和长期价值。

    从外部发展环境来看,我国在应用固态硬盘、磁硬盘、磁带、半导体等数据存储领域都面临“卡脖子”问题,亟须构筑存储领域发展长板。王晓明表示,当前我国在电存储和磁存储领域尚不具备国际竞争优势,特别是磁盘存储市场被美国和日本企业垄断。当前全球光存储技术及产业尚未进入成熟期,我国领军企业与研发机构有望与国际领先水平同步创新,甚至引领产业技术发展方向。

    从技术路线来看,全息光存储被视为下一代光存储技术。紫晶存储董事长郑穆表示,全息光存储是一种高密度三维光存储技术,采用与传统二维存储完全不同的机理。与目前存储方式相比,全息光存储技术将提供超过TB(太字节)级的存储容量,能够满足更大数据量的存储需求,为数据的读取提供更快的速度。

    记者了解到,在全息光存储领域,由于技术壁垒较高,入局企业相对较少,国外主要以松下、索尼等企业为主。国内以紫晶存储为代表的企业正引领全息光存储技术和产业化发展,紫晶存储通过自主研发以及与研究院所合作,在核心基础技术、感光材料、全息光存储光盘结构及格式、多轴伺服平台方案以及高识别度算法等关键环节上,逐渐形成自主可控的全息光存储产业链布局。

    从产业路线图来看,预计全息光存储在3年至5年内可形成成熟的产品和服务,实现市场化和产业化。公开资料显示,目前全息光存储处于第三发展阶段,即实现应用试验阶段。其中,预计到2023年左右可实现产品样机的生产推出,到2025年左右,经过产品和技术不断迭代,可形成相对成熟稳定的全息光存储产品,进而实现市场化应用和产业化发展。

    目前,包括光存储技术在内的中国自主新兴信息技术的应用部署相对有限,仍需国家、行业、企业与用户共同发力,推动产业迭代升级。王晓明建议,在光存储领域,进一步加大相关研究专项对光存储技术的支持,开展全息、蓝光、多维等光存储前沿技术的研发。设立光存储工程化开发中上游材料、设备等科研专项群,给予研发资助及优惠政策,鼓励有能力的企业参与上游关键材料、基础设备及软件的研发。进一步完善和优化光存储技术创新环境,加强技术专利保护力度。

  • 原文来源:http://www.cnenergynews.cn/
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    • 随着互联网、物联网、云计算以及人工智能的快速发展,我们仿佛置身于一片浩瀚的数据海洋中,生活中新产生的信息、图片亦或是视频,都在不断地对数据海洋进行扩充,永无止境……然而,数据的不断剧增也给人们的日常生活带来了一系列的问题,例如:数据存储容量的不足、硬件的存储密度亟需提升等等。为了更好地存储和管理海量的数据、提高数据存储密度,基于低功率激光束与介质相互作用,使得介质的某种性质(如反射率、反射光极化方向等)发生改变,进而实现信息存储的新型光存储技术吸引了人们的广泛关注。 图1 存储技术的发展示意图:从传统光盘存储到固态硬盘存储,再到新型光存储 如图1所示为存储技术的发展示意图。光存储技术起源于20世纪60年代,经历了CD、DVD以及BD三代产品更新迭代。随后,全固态硬盘(SSD)、硬盘(HHD)等存储技术的快速发展,其存储密度、容量不断增大和成本不断降低,逐渐取代了传统光存储,从此传统光存储市场开始走向衰弱。随着人工智能黄金时代到来,AI大模型训练的需求,数据成为了一种刚需。根据国际数据的预测合作(IDC)2018年,全球数据将增至到2025年为175 ZB,到2035年为2142 ZB。而主流的数据保存方法,例如传统的硬盘和磁带等存储方法,面临着存储寿命和能耗方面的严峻挑战,难以胜任庞大的现实需求。此时,全息光存储技术、多维光存储、超分辨率光存储等新型技术凭借其卓越的离线存储能力、巨大的数据容量和持久的存储寿命,在数据存储领域的重要性日益凸显,同时相关的研究开发也成为了全球相关研究团体及科技公司的关注焦点。 数据存储的未来:新型光存储技术 1994年德国科学家Stefan W. Hell教授提出受激辐射损耗显微技术,首次证明了光学衍射极限能够被打破,并在2014年获得诺贝尔化学奖。突破了传统光盘存储的物理限制,实现更高存储密度、更快读写速度、更长保存寿命和更低能耗的数据存储方案,进而满足大数据时代对海量数据存储的需求,人们也针对全息光存储、多维光存储、超分辨率光存储等新型光存储技术领域开展了一系列的研发攻关,并取得了较为丰硕的成果。 (1) 全息光存储技术 如图2所示,全息光存储技术通过两束激光的干涉现象实现数据存储,可以将二维数据页图案存储在三维体空间中,从而提升存储密度和数据存取速度,在这一过程中,一束激光(信号光束)携带待存储的信息,通过与另一束未携带信息的激光(参考光束)相遇,产生干涉条纹,这些条纹作为信息的光学编码,被记录在特殊的光敏材料上,形成全息图。当需要读取信息时,只需用参考光束照射全息图,即可重建出原始的信号光束,从而恢复出存储的数据。全息光存储技术的现世,立刻引发了科研人员以及产业界的广泛关注,在众多领域都得到广泛的应用。大数据存储领域,在大数据时代背景下,对于存储密度和存取速度的需求日益增长。例如,美国InPhase公司于2001年推出基于角度复用的全息光驱Tapestry。在2006年实现了光驱的容量为300 GB,读写速率为20 MB/s的全息光存储技术。该公司研发的双化学体系的Tapestry材料,经加速老化试验测试,预期在25 ℃环境中,保质期为10年,存档寿命为33年。2017年之后,东京理科大学和广东紫晶信息存储技术股份有限公司联合开发了基于球面波参考光,单臂离轴全息光存储系统。该系统使用50 mm×50 mm的记录介质,其容量约为300 GB。 图2 (a) 全息光存储示意图,(b)全息光学存储机 (2)多维光学数据存储 多维光存储的复用维度、存储光盘及读取原理如图3所示。相较DVD蓝光等二维(2D)光学存储方式,三维(3D)光学数据存储充分利用各向同性材料的体积,可以在材料内部的任何位置存储数据。同时,为了进一步超越存储容量的限制,研究人员在传统空间三维之外探索其他维度,这些维度包括了光的振幅、频率(波长)、相位、偏振以及光波前的其它物理参量等,它们都可以携带和记录信息,涉及了基于双折射、等离子体共振和荧光等光学特性的方法。如图3(a)所示,目前,已经开发出的复用维度包括介质的三维空间、偏振、波长以及光强。其中包括基于金纳米棒的波长、偏振、三维空间复用的五维度光存储,以及基于纳米光栅结构的偏振、光强、三维空间复用的五维度光存储。但受限于材料对光各个参数的响应不同,六维度光存储技术一直未得以实现,另外光的轨道角动量特性虽然已被用在量子存储上,但在数据长效存储上并未得以实现。 例如,韩国和法国的科研团队合作发明了一种在玻璃里用激光“写”数据的技术。这种技术可以在玻璃的不同层上存储数据,就像是在书架的每一层上都放书一样。浙江大学和之江实验室联合团队利用超快激光诱导非晶化相变的局部光学相位调制,在材料表面制造出微小的结构,通过控制这些结构的形状和颜色,就能存储数据。通过图像识别进行高速数据提取,达到了大约1.2 Gb/s,并且准确度高达约99.7%,无需依赖昂贵且复杂的光学分析系统和信号处理过程,有效缓解了多维光存储技术数据读取速度慢的问题。在实际应用中,多维光学存储技术可以应用于海量数据存储、结构色打印、多功能衍射光学元件、矢量全息、多维信息加密等场景,具有广泛的应用前景。 图3 (a) 多维光存储的复用维度示意图,(b) 多维光学数据存储光盘及读取原理 (3)超分辨光学数据存储 光学衍射极限是光学存储技术中的一个关键障碍,它决定了数据存储的最小单元尺寸。为了克服这一限制,科学家们一直在探索新的技术路径。其中,超分辨光学数据存储技术的出现,为我们提供了一种全新的解决方案。这项技术通过创新的光学手段,突破了传统光学衍射的束缚,使得数据存储点的尺寸可以做得更小,从而大幅提升了存储密度。 2015年,李向平、曹耀宇等人运用双光束超分辨技术实现超大容量的光存储,将800 nm飞秒超快光源作为记录光束,375 nm连续激光作为抑制光束,在玻璃基板上实现了最小33 nm的记录点,实现大大提高了存储面密度。目前,最前沿的超分辨光学数据存储技术是上海光学精密机械研究所阮昊研究员团队和上海理工大学顾敏院士联合的一种双光束调控聚集诱导发光超分辨光存储技术,实验上首次在信息写入和读出均突破了衍射极限的限制,实现了点尺寸为54 nm、道间距为70 nm的超分辨数据存储,并完成了100层的多层记录,单盘等效容量达Pb量级,这相当于把一个小型数据中心机柜缩小到一张光盘上,这一成果不仅极大地提高了存储效率,而且对于应对大数据时代日益增长的数据存储需求具有重要的战略意义。
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    • 编译者:郭楷模
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    • 科技日报北京1月19日电 (记者张梦然)一个由多国科学家组成的国际团队在开发高能效计算机方面取得重磅成果:用于超快计算的新型磁光存储器。这是一种创新的光子平台,不仅开关速度比当前最先进光子集成技术快100倍,还可重写超过23亿次。相关论文发表在最新一期《自然·光子学》杂志上。 未来计算领域面临的一项重要挑战是内存计算,特别是利用光子内存来实现几乎即时的操作和响应。然而,这一领域一直受到多种因素的限制,如缓慢的开关速度、有限的可编程性等。 最新研究旨在克服这些障碍。该团队来自意大利卡利亚里大学、美国加州大学圣巴巴拉分校、匹兹堡大学以及东京科学研究所。他们采用了一种特殊的磁光材料——铈掺杂钇铁石榴石,这种材料的光学属性可以根据外部磁场的变化而动态调整。通过引入微型磁体作为数据存储单元,并控制光信号在材料中的路径,研究团队成功开发出一种全新的磁光存储器。 这种新设备具有显著优势:它不仅实现了比当前最先进光子集成技术快100倍的开关速度,而且能耗仅为前者的1/10左右;更重要的是,它可进行多次重新编程以适应不同任务的需求。相比之下,现有的高端光学存储设备通常只能承受最多1000次写入操作,而新开发的磁光存储器却能够支持超过23亿次的重写,这表明其可能拥有近乎无限的服务寿命。 此外,研究团队还强调了这些磁光材料的独特之处,在于它们允许使用外部磁场来调控光的传播方式。在此基础上,团队成员利用电流对微小磁体进行了编程,用以保存信息。这些磁体反过来又决定了光在材料内部如何行进,从而使得复杂运算,如矩阵向量乘法得以实施,这是所有神经网络架构的关键组成部分。 数字化时代,各种各样的应用和场景源源不断地产生着海量数据。如何更高效地处理和分析这些数据,同时又尽量降低能耗?这就对计算机的效率和能耗都提出了极高要求。用于超快计算的新型磁光存储器,正是在这样的技术背景下应运而生。它的开关速度实现上百倍提升,同时能耗又显著降低,很好地契合了超快计算对高性能存储器的需求。可以预见,越来越多高性能存储器的诞生,将为更加高效、流畅、即时的通信提供坚实技术支撑。